[摘要]本文針對渦街流量計在不同介質(zhì)下的計量性能，依據(jù)流體力學(xué),通過理論分析得出對于可壓縮流體介質(zhì)須考慮其可壓縮性對渦街流量計的影響,為此選用四臺不同口徑的渦街流量計,在雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則指導(dǎo)下進(jìn)行了實流標(biāo)定實驗,得到水、空氣和蒸汽介質(zhì)下的標(biāo)定儀表系數(shù),結(jié)果表明:介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸是影響渦街流量計計量性能的重要因素,不同介質(zhì)下渦街流量計的標(biāo)定儀表.系數(shù)不同,不可壓縮流體水介質(zhì)下的標(biāo)定系數(shù)不能直接應(yīng)用到可壓縮流體蒸汽介質(zhì)上,須進(jìn)行修正,介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸可作為修正因子。
引言
渦街流量計由于其耐高溫、壓損小的特點，被廣泛應(yīng)用于蒸汽流量計量領(lǐng)域中。對用于蒸汽計量的渦街流量計進(jìn)行量值溯源時，通常使用三種標(biāo)定介質(zhì):蒸汽、水和空氣。以蒸汽作為檢定介質(zhì)進(jìn)行實流標(biāo)定，其優(yōu)點是裝置檢測條件與被檢流量計的實際使用工況接近,但由于蒸汽實流檢測裝置設(shè)計難度大、運行成本高、安全性差等的限制，實際應(yīng)用很少。通常認(rèn)為在--定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，渦街流量計旋渦分離頻率對被測流體壓力、溫度、粘度和組分變化不敏感，在幾何相似和動力相似條件下，可用一一種典型介質(zhì)(水或空氣)進(jìn)行標(biāo)定。因此實際檢定工作中基本使用基于水介質(zhì)或者空氣介質(zhì)的檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定。以上關(guān)于渦街流量計不受流體介質(zhì)種類影響的假設(shè)是基于渦街流量計原理公式的理論分析，目前并無實驗數(shù)據(jù)支撐。
針對渦街流量計在不同流體介質(zhì)下的計量特性，通過對渦街流量計在空氣、水和蒸汽介質(zhì)下的比對實驗，分析了渦街流量計儀表系數(shù)和測試介質(zhì)的關(guān)系，得到了三種介質(zhì)下儀表系數(shù)的規(guī)律性偏差，提出了針對溫度和介質(zhì)可壓縮性的系數(shù)修正計算方法。分析了介質(zhì)可壓縮性對渦街流量計計量特性的影響，并通過實流測試和CFD仿真分析空氣和水介質(zhì)下的儀表系數(shù)偏差，結(jié)果表明空氣介質(zhì)下的渦街流量計儀表系數(shù)大于水介質(zhì)中的儀表系數(shù)，與理論分析一致。利用Fluent軟件對渦街流量計在蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明三種介質(zhì)下儀表系數(shù)從大到小依次為:空氣、蒸汽、水，說明空氣受介質(zhì)的可壓縮性影響最大。不同口徑的渦街流量計分別在音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和冷凝稱重法蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行蒸汽和空氣介質(zhì)下的實驗，實驗設(shè)置了6個流量點，得到儀表系數(shù)和重復(fù)性等數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示空氣介質(zhì)下渦街流量計儀表系數(shù)在最大流量點均有明顯的下降，不同口徑渦街流量計在蒸汽介質(zhì)下的儀表系數(shù)隨流量點的變化曲線基本一致，且腔氣介質(zhì)下的儀表系數(shù)整體上大于蒸汽介質(zhì)下的值。利用正壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究了不同空氣密度下的渦街流量計的流量特性，結(jié)果表明隨著介質(zhì)密度的增大，渦街流量計儀表系數(shù)相對誤差最大為0.405%，且流量下限降低，量程擴大。
受介質(zhì)可壓縮性和溫度的影響，采用空氣或水介質(zhì)作為標(biāo)定介質(zhì)對蒸汽流量計量渦街流量計進(jìn)行實流標(biāo)定會產(chǎn)生一定程度的偏差。為保證蒸汽計量渦街流量計的計量可靠性、節(jié)約計量溯源成本、避免蒸汽貿(mào)易計量差額，有必要對渦街流量計在蒸汽介質(zhì)與空氣、水介質(zhì)下的計量特性。目前，相關(guān)人員針對渦街流量計在不同介質(zhì)下的計量特性做了大量實驗研究，測試流量點分布大多采用最大量程的不同百分比來劃分(如最大流量點的60%、40%等)，由于采用不同介質(zhì)的渦街流量計有著不同的量程范圍，這種不同介質(zhì)間的簡單的流量點對應(yīng)缺乏理論支撐，其對比結(jié)果存疑。
本文從流體力學(xué)基本原理出發(fā)，對不同介質(zhì)下的實驗流量點按照雷諾相似準(zhǔn)則進(jìn)行對應(yīng)，保證不同介質(zhì)下的流場力學(xué)相似，從而使得對應(yīng)流量點之間的實驗對比有理論支撐。選取四臺不同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽計量領(lǐng)域應(yīng)用較廣的某品牌渦街流量計，分別在蒸汽介質(zhì)、水介質(zhì)和空氣介，質(zhì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行研究，分析對比不同介質(zhì)下渦街流量計的計量性能及影響因素
1渦街流量計基本原理
渦街流量計依據(jù)的基本原理為“卡門渦街”原理，即在測量管道中垂直地插入一段非流線型阻流體(旋渦發(fā)生體)，當(dāng)流體流動，管道內(nèi)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時，在發(fā)生體下游兩側(cè)會交替分離出規(guī)則排列的旋渦，稱為卡門渦街，渦街流量計的工作原理如圖1所示。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦分離頻率由旋渦發(fā)生體幾何尺寸、測量管道幾何尺寸以及管道中流體流速決定，計算公式為":
式中:ƒ一旋渦分離頻率，Hz;Sr-斯特勞哈爾數(shù);U1一發(fā)生體兩側(cè)流體平均流速，m/s;U一管道來流平均流速，m/s;m一發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積與管道橫截面積之比。
對于不可壓縮流體，流體在流經(jīng)發(fā)生體前后密度不變，根據(jù)流體連續(xù)性定理可得:
由公式(5)可知渦街流量計儀表系數(shù)可代表渦.街流量計的計量特性，本文選擇儀表系數(shù)作為不同介質(zhì)間渦街流量計對比參數(shù)。從公式(5)可以看出，渦街流量計儀表系數(shù)只與渦街流量計發(fā)生體和測量管體幾何尺寸、斯特勞哈爾數(shù)Sr有關(guān)，其中斯特勞哈爾數(shù)Sr在一定雷諾數(shù)ReD范圍內(nèi)為常數(shù)”，與被測流體的特性和組分無關(guān)嗎。上述理論分析常作為渦街流量計在不同介質(zhì)下通用標(biāo)定的依據(jù)，例如在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中校驗的渦街流量計可直接用于氣體工作介質(zhì)。但是.上述分析是在工作流體不可壓縮這一假設(shè)下完成的，對于可壓縮流體，公式(3)不再成立，根據(jù)可壓縮流體伯努利方程:
從公式(9)可以看出對于可壓縮流體，介質(zhì)來流速度與發(fā)生體兩側(cè)的速度的關(guān)系不僅與幾何尺寸有.關(guān)，還與介質(zhì)等熵指數(shù)、壓力、密度有關(guān)。因此，渦街流量計不同介質(zhì)下的計量特性，即儀表系數(shù)不能簡單等同，有必要對不同介質(zhì)下的渦街流量計儀表系數(shù)進(jìn)行對比研究。
2實驗方案設(shè)計
本文通過對渦街流量計在蒸汽、水、空氣三種介質(zhì)下進(jìn)行實流標(biāo)定實驗，對比分析不同介質(zhì)下渦街流量計計量特性，即儀表系數(shù)的差異及影響因素。本節(jié)對實驗方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
2.1實驗裝置
2.1.1蒸汽流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置
本文采用冷凝稱重法蒸汽流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為蒸汽介質(zhì)實驗裝置，該裝置位于國家蒸汽流量計量站，是國內(nèi)唯一采用蒸汽實流標(biāo)定的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置精度等級為0.1級，測量范圍為(2.5~15000)kg/h，采用過熱蒸汽為檢定介質(zhì)，過熱蒸汽經(jīng)穩(wěn)壓緩沖處理后進(jìn)人檢定管線，通過被測渦街流量計后進(jìn)人冷凝器，冷凝水進(jìn)人稱重容器進(jìn)行稱重，完成對被測渦街流量計的蒸汽實流標(biāo)定。
2.1.2空氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置
對于空氣介質(zhì)，本文采用負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置擴展不確定度為032%(k=2)，測量范圍為(1~7000)m2/h。該裝置由真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，常溫空氣經(jīng)過檢定管線流過被測渦街流量計，隨后進(jìn)入穩(wěn)壓容器并流經(jīng)文丘里噴嘴，在噴嘴喉部得到標(biāo)準(zhǔn)流量，完成對被測渦街流量計的空氣實流標(biāo)定。
2.1.3液體流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置
對于水介質(zhì)，本文采用靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置擴展不確定度為0.05%(k=2)，測量范圍為(0.2~680)m³/h。恒溫水池中的常溫水介質(zhì)經(jīng)過檢定管線流過被測渦街流量計，隨后進(jìn)入稱重容器進(jìn)行稱重，完成對被測渦街流量計的水介質(zhì)實流標(biāo)定。
2.2雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則
由流體力學(xué)可知，通過試驗的方法解決流體流動過程中的規(guī)律性問題的理論基礎(chǔ)之一是相似原理8。具體來講就是在對比分析兩個流動現(xiàn)象時，必須使兩者之間保持力學(xué)相似關(guān)系，包括幾何相似、運動相似和動力相似。對于管道中的實際流動，流體介質(zhì)主要受粘性力、壓力和慣性力的作用，流體力學(xué)上用雷諾數(shù)表征慣性力和粘性力之比，因此只要在對應(yīng)點滿足雷諾數(shù)相等即可保證兩個流場動力相似。截面為圓的管道中的雷諾數(shù)Rep的計算公式為:
式中:qv一管道內(nèi)體積流量，m³/h;p一介質(zhì)密度，kg/m³;η-介質(zhì)動力粘度，Pa.s;D-管道直徑，m。
因此，在進(jìn)行對比不同介質(zhì)下的渦街流量計儀表系數(shù)的試驗時，不僅需要保證兩者幾何相似，同時需要保證兩者動力相似，即雷諾數(shù)Rep相等。由公式(10)可以看出，由于不同介質(zhì)間的密度、粘度等參數(shù)不同，在保證雷諾數(shù)相等的前提下，其體積流量也不同，所以簡單按照流量點相等的原則進(jìn)行不同介質(zhì)間的對比試驗是不可取的。
2.3實驗方案
2.3.1實驗用表
選用上海橫河電機有限公司生產(chǎn)的DY系列渦街流量計共四臺，口徑分別為DN50、DN100、DN150和DN200，旋渦發(fā)生體形狀為梯形，精度等級為1.5級。
2.3.2實驗流量點
如22中所述，依據(jù)雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則確定不同介質(zhì)下的測試流量點。首先根據(jù)選用的渦街流量計的蒸汽介質(zhì)測量范圍以及蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測試能力確定蒸汽介質(zhì)的測試流量點，由公式(10)得到對應(yīng)流量點的蒸汽介質(zhì)(壓力0.3MPa，溫度150C的過熱蒸汽)雷諾數(shù)，再由雷諾數(shù)相等原則，反推出空氣介質(zhì)(壓力98kPa，溫度20℃的干空氣)和水介質(zhì)(壓力0398MPa，溫度20℃的常溫水)的對應(yīng)測試流量點，以DN50口徑渦街流量計為例，流量點計算如表1所示，其余口徑同理。
2.3.3測試方案
對四種口徑的實驗用渦街流量計依據(jù)JJG1029-2007《渦街流量計》規(guī)定的檢定要求進(jìn)行實驗。
為保證不同介質(zhì)流體進(jìn)人渦街流量計的流場相似，從幾何相似出發(fā)，在實驗用渦街流量計前后配置直管段，管道材料為304不銹鋼，管道內(nèi)徑匹配四臺渦街流量計的實際內(nèi)徑，DN50口徑管道壁厚為3mm，DN100、DN150和DN200口徑管道壁厚為6mm，前置管道長度為對應(yīng)口徑的5倍，后置管道長度為對應(yīng)口徑的3倍(前5D后3D)。前后直管段與渦街流量計通過法蘭連接、螺栓緊固，并且在整個實驗過程中保持固定連接，下游管道固定位置處設(shè)有取壓孔，保證測試不同介質(zhì)時取壓位置不變。
按照2.3.2中確定的6個測試流量點進(jìn)行實驗，依據(jù)檢定規(guī)程，每個流量點的實際測試流量與設(shè)定流量的偏差不超過設(shè)定流量的+5%。每個流量點測試3次，每次測試時間為60秒，記錄該流量點下的介質(zhì)溫.度、壓力，得到檢定儀表系數(shù)及其重復(fù)性。為了驗證裝置的穩(wěn)定性，保證實驗結(jié)果的可靠性，將實驗用表:重新裝夾，重復(fù)以上實驗流程3次。
3實驗結(jié)果分析
按照2.3中的實驗方案對四臺不同口徑的渦街流.量計在水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)下進(jìn)行儀表系數(shù)實流標(biāo)定實驗，實驗結(jié)果如圖2~5所示。
由圖2~5可以看出，三種不同介質(zhì)下渦街流量計的儀表系數(shù)并不--致，驗證了本文1節(jié)中的分析，使用不可壓縮流體介質(zhì)(水介質(zhì))標(biāo)定的儀表系數(shù)不可直接用于可壓縮流體介質(zhì)(空氣和蒸汽)，須進(jìn)行后續(xù)修正;由于水介質(zhì)的不可壓縮性，其標(biāo)定儀表系數(shù)在整個雷諾數(shù)范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，相比之下空氣介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)在測試范圍內(nèi)波動較大，隨著雷諾數(shù)的增大，空氣介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)有一個先下降后上升的波動趨勢，需要說明的是，DN150口徑渦街流量計的空氣介質(zhì)標(biāo)定系數(shù)在最大雷諾數(shù)測試點突然下降，與其他測試點結(jié)果偏差較大，對DN150渦街流量計測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其實際內(nèi)徑偏小為1388mm，在最大雷諾數(shù)下其流速達(dá)到了103m/s，遠(yuǎn)超過橫河渦街流量計對空氣介質(zhì)的最大流速限制--一80m/s，從而導(dǎo)致了該測試點的明顯異常;蒸汽介質(zhì)的實驗結(jié)果與空氣介質(zhì)的實驗結(jié)果趨勢類似，但由于蒸汽和空氣的可壓縮性不同(即可膨脹性系數(shù)不同)，因此兩者的標(biāo)定系數(shù)對比水介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)偏差不同。
綜上，不同介質(zhì)下渦街流量計的標(biāo)定儀表系數(shù)須進(jìn)行修正后方可替代使用，需要考慮的修正因素包括介質(zhì)的可壓縮性(可膨脹性系數(shù))，而不同介質(zhì)的可壓縮性不同，其影響程度也不同，如空氣介質(zhì)和蒸汽介質(zhì)。此外，由于蒸汽為高溫介質(zhì)，需考慮溫度對渦街流量計機械結(jié)構(gòu)如殼體和發(fā)生體形變的影響。經(jīng)測試，選用的橫河渦街流量計各部件材質(zhì)及性質(zhì)如表2和表3所示。
4結(jié)論
本文針對渦街流量計在不同介質(zhì)下的標(biāo)定儀表系數(shù)進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明，可壓縮介質(zhì)與不可壓.縮介質(zhì)的標(biāo)定儀表系數(shù)不同且不可直接替換，證明了介質(zhì)可壓縮性對渦街流量計的計量性能有影響;高溫介質(zhì)通過改變渦街流量計機械結(jié)構(gòu)的形狀影響其計量特性。表明了介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸(溫度影響)是影響渦街流量計計量特性的重要因素，若想將一種介質(zhì)的標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到另一種介質(zhì)上，須進(jìn)行修正，以上兩種因素即可作為修正因子。結(jié)果可作為后續(xù)不同介質(zhì)標(biāo)定結(jié)果間修正的實驗基礎(chǔ)。
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